卡奥斯智慧能源EMS总控系统
作者 | 青岛海尔能源动力有限公司2022-09-16

1、项目背景

十四五期间碳中和、碳达峰成为污染防治的主攻目标。实现碳达峰碳中和,是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求。结合“双碳”目标,海尔智慧能源从用户体验出发,利用自身30多年的能源管理运营经验,依托工业互联网平台优势和生态赋能模式,将能源替代与碳资产管理运营相融合,重塑能源服务场景,形成定制化能源解决方案,助力企业、园区实现绿色低碳发展。

当前,能源发展正体现出多元化、移动化、碎片化的新特征,能源供应与社会需求之间的矛盾、能源供应与环境治理之间的矛盾、人类现代生活方式与节能减排之间的矛盾正催生一场前所未有的能源革命,互联网、物联网、大数据等技术的发展正带领人类能源社会进入智慧能源时代。我国经济已由高速度增长阶段进入高质量发展阶段,亟需改变传统的发展模式,借助新技术,实现新模式、新平台的创新,为高质量发展提供新的支撑。传统发展模式下,企业能源管理是粗放式的,高污染、高能耗也成为制约我国经济可持续发展的一个重要原因。

对于制造企业来讲,传统园区能源管理存在着能源成本高、用能安全性低、能耗无监测,能源无存储、人工检修、无增值服务等痛点严重影响企业的生产,从一定程度上制约了企业的发展。随着企业管理的日益科学化、系统化、能源管理成为企业提升经营绩效的重要领域,但在实践中,企业能源管理依然存在诸多不足。如能源管理精细化程度不够,只做点上的功夫,哪里不行改哪里,并没有全面系统的去实施能源管理:节能潜力挖潜不彻底,不少企业采用购买先进节能设备,更换老旧设备的节能方式,只做到大功率设备监控,忽略了员工意识以及日常生产中的点滴节能,造成了现场能源管理差距。此外,众多企业不能有效利用企业数据优化企业经营 能源数据与生产订单不关联,不能为企业生产提供指导和赋能,直接导致了企业能源数据的失效。

随着互联网、物联网、大数据、云计算等新兴技术的发展,企业能源管理已经不仅仅是追求扩大可利用能源资源的规模,而是更多的通过数据分析来减低能耗,通过智慧的方式主动改造能源,提高能源的利用率。

2、项目建设内容

(一)系统设计原则

以能源互联网、大数据、云计算技术以及海尔能源多年的能源运营管理经验的创新应用系统,通过整合业内优势资源,为用户从前端降低能源价格,通过卡奥斯智慧能源EMS总控系统的运营,降低能源运维成本,不断优化能源使用场景,提供解决方案和增值服务,实现企业节能降耗。设计原则如图1所示,包括:

(1)云服务:基于大数据、物联网等的时代背景,搭建能源管理云平台,精准获取企业能源数据,并通过大数据分析,预测、优化企业能源使用,以云服务助力产业升级转型;

(2)共享式:该系统实现企业跨地域、多能源介质的能源数据融合,并系统输出能源解决方案,赋能企业绿色发展;

(3)定制化:卡奥斯智慧能源EMS总控系统是开放的能源管理生态系统,用户可参与到企业能源体系建设中,根据用户能源需求,共同实现能源管理方案的个性化、定制化,实现攸关方的共创增值。

卡奥斯智慧能源EMS总控系统设计原则

(二)系统总体框架

卡奥斯智慧能源EMS总控系统搭建了从前端能源采购、能源转化输送、终端能源使用的全流程能源监测系统,形成能源效率分析,能源绩效评价,能源最优解决方案的全套能源管理流程,并在海尔集团15个工业园区,55个互联工厂进行实践,达到了较高经济效益。

(1)硬件配备:从仪表层来看,接入了10万块的现地仪表。从通讯层来看,光缆敷设了60公里,线缆三千公里。

(2)软件功能:它有12个主模块,61个子模块,563个应用场景。管理体系的业务模式:海尔集团人单合一模式下,小微创客的产物,实现了从职能管理到服务模式的转变。

(3)覆盖范围:覆盖国内15个省区,内部接入55个互联工厂。外部接入73个互联工厂,我们直接实现了智慧能源的管家服务,托管了58家工厂。

(4)实现功能:通过企业的用能信息采集存储,结合实时的预警策略,对24小时用能情况进行无间隙的监控,同时对企业用能数据的采集、存储、计算、分析,对影响能源市场因素的政策、天气、一次能源价格等信息进行汇总,通过智慧能源EMS总控系统算法模型,提前对园区内能源系统进行调控配置,优化园区能源消费结构,降低用能成本。

卡奥斯智慧能源EMS总控系统

(三)关键技术

卡奥斯智慧能源EMS总控系统作为多能互补在区域供能系统中最广泛的实现形式,其多种能源的源-网-荷深度融合、紧密互动对系统分析、设计、运行提出了新的要求。特别针对家用电器行业,能源管理一般涵盖集成的供电、供气、供暖、供冷、供氢和电气化交通等多个环节,以及相关的通信和信息基础设施。为进一步提高用能效率,促进多种新能源的规模化利用,多种能源的源-网-荷深度融合、紧密互动又是未来能量管理发展的必然趋势。

由于不同能源管理系统及其发展的差异,供能往往都是单独规划、单独设计、独立运行,彼此间缺乏统一协调,由此所造成的能源利用率低、供能系统整体安全性和自愈能力不强等问题。传统的能源管理相互独立的运行模式无法适应综合能源系统多能互补的能源生产和利用方式,在能量生产、传输、存储和管理的各个方面,都需要以考虑运用系统化、集成化和精细化的方法来分析整个能源系统,进而提高系统鲁棒性和用能效率,并显著降低用能价格。

(1)“源-网-荷-储”多能流协同优化调度技术

结合“弱中心化”思想,基于多代理系统的控制框架,将用户对冷、热、电等多种能源的需求纳入广义需求侧资源的范围,并将能量转化设备运营商的能源价格、转化方式、需求异质性等也作为运行和调节参数,通过和邻近个体实现通信,一致性协调不同能源系统分布式个体,最终完成多能系统的稳定和精确控制(图3)。

“源-网-荷-储”多能流协同优化调度

(2)虚拟云的多维度能源管理技术

应用虚拟云技术整合现有的能源管理平台、企业用能检测和评估平台、需求侧管理平台以及用户用能优化终端,融合成为一个多维度多能流的物理信息系统(图4),提供多元化物理接口,能够精确量测、汇总、储存并分析预测用能数据、能源价格信息和多能系统整体运行态势,形成运行安全、用能经济、互动有序的能源综合管理平台。

虚拟云的多维度能源管理技术

(3)不同能源种类的能源大数据综合管理技术

基于海尔工业园区能源管理,卡奥斯智慧能源EMS总控系统集成了电力监控系统、水资源监测系统、空压机监测系统、压缩空气监测系统、天然气监测系统、蒸汽监测系统、污水在线监测系统、电梯监测系统、光伏发电系统等九大管理系统,同时集中了14类能源介质:电、自来水、纯水、软化水、生活污水、生产废水、蒸汽、压缩空气、天然气、液化气、高温热水、余热回收热水、太阳能发电、中水的调度,实现对多介质能源数据的曲线分析及限值管控(图5)。

不同能源种类的能源大数据综合管理技术

(4)同一产品产线的跨区域能源大数据智慧对标技术

平台针对同一产品的众多不同型号的能源使用,适应集团级多组织的跨域管理和协同框架,搭建同一评比机制,实现不同区域同一产品的能源消耗结构对比分析,能源成本结构对比分析,为用户节能减排提供方向性解决管理方案(图6)。

卡奥斯智慧能源EMS总控系统可实现同集团人力系统、产量系统、产值系统实时对接,实现大数据融合,完成产值能耗、产量能耗指标的数据考核以及直接责任人的考核指标体系搭建,并建立综合能源管理体系、需求侧能耗对标考核体系、能耗效率指标评价体系等多项能源管理系统,推进传统园区向智慧园区转型。以海尔冰冷产业为例,海尔集团在全国拥有12家冰箱、冷柜工厂、分布于青岛经济技术开发区、合肥、大连、武汉、重庆、佛山、沈阳等10个园区,生产的产品型号超过3000种,由于不同产品工艺、容量大小,造成不同型号产品消耗能源数量、能源种类不同,这种状况往往难以形成有效的单台能源消耗对比分析。

对此,该技术执行标准台机制,根据每个型号产品的工艺以及工序复杂程度,设定不同的标准台系数,将所有产品折算成标准台产量,实现了同一产品类型不同产品型号的单台能耗对比模型。

依托该技术,海尔在企业内部建立能源交互网络社群,实时交互工厂能源使用情况和问题,通过直连工厂用户端,指导工厂进行最合理的排产计划,在冬季、夏季政府限电情况下,最大限度满足生产需求,对现行能源结构调整,达到最优的能源成本。

同一产品产线的跨区域能源大数据智慧对标技术

(5)不同产品产线的综合能源数据考评技术

针对众多不同类型产品,不同类型产业的的能源使用,建立起综合能源考评机制,实现产品产线的同期对比(图7),进而帮助对产品能源结构进行调整,提升节能空间。

在同一产品产线的跨区域对比分析升级管理机制的基础上,平台制定单台能耗考核机制,锁定每一产品线年度单台能源消耗降低6.5%,并与工厂第一责任人签订能效考核对赌协议,以月度薪酬20%作为对赌,目标完成率与员工绩效挂钩。

技术集成了冰箱、空调、洗衣机、热水器、厨电等产品产线,以及彩板加工,新材料部件合成等配件产品产线工厂55家,并设立了多元化的考核机制,形成对不同的产品及服务,公寓、办公楼宇等用能单位的能耗对比体系。例如,设定独立考核体系,对于冰箱,空调,洗衣机。热水器,厨电等产品产线,设定单台产品能耗考核机制,与去年同期进行对比:对于彩板加工,新材料部件合成等配件产品产线,设定产值能耗考核机制:对于办公楼宇,执行平均办公面积能耗考核体系:对于公寓、餐厅等,执行入住人次及餐饮人次考核指标体系等。

技术线上系统模块对所有工厂用户能源设备进行端到端可视化服务,并针对所有工厂工业活动进行检测,让能源消耗真正有迹可循,帮助企业找出能源薄弱环节,并提出针对性降费解决方案,切实减少企业能源成本。

不同产品产线的综合能源数据考评技术

(6)大数据的能源消耗预测技术

卡奥斯智慧能源FMS总控系统通过与BM、MES、BCC等系统的并联打通,实现了多系统的数据融合,通过对海量数据异构分析,在用户端、需求侧形成能源使用的分析结果和报警,实现了能源运行的精准预测和动态管理优化(图8)。

不同产品产线的综合能源数据考评技术

例如:通过运行曲线发现,海尔胶南洗衣机在停产情况下,流量仍然为80吨/天,显示现场存在漏水问题,平台通知胶南评审人员进行现场检查,发现现场水管裂缝,流量达到3t/小时,立即采取措施,联系自来水公司人员进行管路抢修,当日恢复自来水供应,该项措施减少水源浪费约60吨。

精准的能源消耗预测,可以指导企业对自身用能结构进行分析,进而根据目前的能源形势,采取必要的能源管控措施,达到最优的能源配比。传统的能源管理为资源获取式,即使用多少,向资源方购入多少,无使用预算,不考虑集团订单及能源效率,是事后的管控。技术依托企业经营运行的大数据分析,实现对企业能源使用的精准预测,驱动能源管理由事后转到事前。目前,通过5年的系统运行,根据集团161订单,系统可以精准的预测每一天,每一个月的能源消费量。

3、应用效果

卡奥斯智慧能源在技术和实践上实现了和能源、设备、场景、工厂的全范围的互联互通。基于5G网络数据的高效传输,卡奥斯智慧能源平台抓取的数据每6秒即可更新一次。各类设施、设备和传感器的全面接入和数据流的高速实时传输,使得数据掌握更精细、事故排除更及时,节能减排更严格。

经济效益:在“十三五”期间,海尔单位产值能耗减少30.3%,单位产值水耗减少193%,废水产生量削减16.1%,单位产值COD减排19.8%,减排二氧化碳11.05万吨。

目前,系统适用场景已经推广至汽车、纺织、陶瓷、服装等七类行业,已吸引450多家企业采用该技术,实现业务收入2.8亿元,平均为每个赋能企业在减本增效方面带来100万元的经济效益,9家洗衣机企业综合单台能源费降低23.18%,节约能源费1200万元。

社会效益:在“十三五”期间,共节水39.52万立方米,节电6693.74万千瓦时;减排二氧化碳11.05万吨;减少危险废物和固体废物排放3257.43万吨。

4、主要创新点

改良型季节指数:在卡奥斯智慧能源EMS总控系统的用能量预测模块中,为了更加贴合卡奥斯能源实际能源消费模式,对未来园区用能数据进行贴合实际的预测和判断,创新性的对季节指数算法进行了算法逻辑上的优化。根据多个样本周期的用能数据计算出每个样本的日均用能数据和日均平均用能数据,对计算出的数据进行求和并作为后续算法实现的基数,依靠现有的样本数据和日均用能数据,计算各个月份的季节指数,为了降低算法误美和提高算法预测准确率,额外进行了一次全样本平均数据的季节指数计算,与各个月份的季节指数进行浮动计算和比较,剔除误差较大数据,使样本数据更加贴合实际从而提高预测的准确率。

5、推广价值

卡奥斯智慧能源EMS总控系统赋能的海尔中德工业园、湖北黄石东贝压缩机有限公司、美心集团、天津津南区八里台镇工业园区等多地形成“样板”,并迅速在全国复制。每年仅外部授权企业就节约能源使用费1.02亿元,减少二氧化碳排放8000吨,相当于造林3000亩。

以美心集团为例,其是空压机应用“大户”,存在耗能大,运营服务效率低等问题。卡奥斯智慧能源从“设备”和“技术”两方面入手,为其提供从代建代管到日常运维的全流程空气压缩机托管方案,而企业无需投资硬件且不需要配备运维人员,由卡奥斯智慧能源为企业提供设备,为企业配备专业运维管理人员,满足企业在设备购买、设计规划、运维人才培养等方面的需求。经改造,美心集团能效提升30%,一年节约用电约120万度,能源费用节省90万左右,约等于植树造林18.8万棵。

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